TWI551853B - 用於測試半導體總成之接點的系統與方法 - Google Patents
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Description
本發明係關於一種用於拉伸測試半導體總成之接點的系統及方法。特定言之，本發明係關於一種用於測試由一可熔材料球或凸塊形成之接點之拉伸強度的系統及方法。
執行破壞性及非破壞性機械強度測試以測試用在印刷電路板(PCB)及/或半導體總成之生產中的製程之品質。通常，對提供兩個材料之間之電或熱連續的一接點執行測試。可藉由抓持、鉤住或剪切接點製造材料之一者而對具有一適合形狀及尺寸之接點施加測試力。
存在一些不合適接點，通常該接點係一PCB或一半導體基板之表面上之一焊料球或凸塊但具有奇異形狀或尺寸或難以用抓爪觸及。已知熔化接點且接著允許接點重新凝固在一測試工具周圍係作為施加一測試力之一替代方法。接著，該測試工具可經移動以將一測試力施加至經重新凝固之接點。US 5641913中描述用於拉伸測試之此類型系統之一實例。
實際上，已藉由調適經設計用於鉤住或抓持接點之既有接點測試機器以執行一拉伸測試而實施此操作原理。目前，以此方式使用之一機器係購自英國，Buckinghamshire,Aylesbury,Rabans Lane工業區，Faraday路25號之Dage控股有限公司的Dage 4000多功能接點測試器。一測試接腳係附接至常用於拉伸測試之掛鈎。該測試接腳係藉由掛鈎而固持在適當位置，該掛鈎係直接附接至裝配有應變計之一梁以量測測試期間所施加之力。接腳之一端部具有一90度成形彎曲部，其接合掛鈎並將力轉移至接腳之尖端。系統使用插入至一較大鈦塊中之一匣筒加熱器，該鈦塊機械支撐一加熱器及一熱耦器。掛鈎係在該鈦加熱塊上精確對準，使得測試接腳之筆直部分穿過一緊配孔以運行穿過該鈦加熱塊。
此設備之操作方法如下。待測試樣品係剛性地裝配至與一可水平移動操作台附接之一工作固持器中。操作者使用操縱桿控制件以在測試接腳正下方之樣品上移動特定測試部位，通常使用一顯微鏡以實現所需精度。操作者使用操縱桿控制件來降低整個負載元及測試接腳總成(其係安裝至一電動垂直台)，直至測試接腳之尖端落在待測試焊料球/凸塊之頂上。按下測試按鈕以通過鈦加熱塊而將探針加熱至一預定溫度。在焊料球/凸塊熔化之後，測試接腳之尖端在其自身重量之作用下下落至焊料熔池中。當已達到期望溫度時，斷開加熱器，此允許測試接腳開始冷卻並允許焊料凝固。在被凝固之後，接腳、焊料及加熱器塊憑藉導引向其等之一冷氣噴射流而加速冷卻。在已實現一預定溫度之後，測試接腳係錨定至焊料球/凸塊之本體中且可開始破壞性拉伸測試。向上自動驅動整個負載元總成，此導致拉鉤將一軸向負載施加在接腳上且因此施加在接點上。負載元中之一梁撓曲，且經校準之應變計量測力。當接點失效時，應變計顯示力下降且失效前之最大力被記錄。接著，將所記錄之力儲存在一資料庫中。
此接點測試裝置及方法存在量測精度、操作速度及可用性之大量缺點，且本發明之一目的為克服此等缺點之部分或全部或至少提供一有效替代方案。
供參考之隨附技術方案中界定本發明。附屬技術方案中闡明本發明之若干較佳態樣。
在一態樣中，本發明包括一種用於將一拉伸測試施加至一半導體總成之一接點的裝置，該接點包括一焊料球或一焊料凸塊，該裝置包括：一探針，該探針具有一縱向軸；一加熱器，其用於將該探針之一尖端加熱至處於或高於使該接點熔化之一溫度的一溫度；一固持器，其用於支撐該探針；一致動器件，其用於上下移動該固持器及該固持器中所支撐之該探針；一構件，用於將一拉力施加在該固持器上，該固持器接著沿該探針之該縱向軸而將一拉力施加至該探針；及一力量測系統，其用於量測該拉伸測試期間施加至該探針之一力，其中在該探針尖端已被加熱至處於或高於使該接點熔化之一溫度的一溫度後，該探針尖端係與該接點接觸，該接點係因該探針之加熱而熔化且該接點係經冷卻及凝固以將該探針尖端固定在該接點中，接著由該拉力施加構件拉回該探針以將一拉力施加至該接點，該拉力係由該力量測系統量測。
藉由沿探針之縱向軸施加拉力而較先前技術改良量測精度。在先前技術系統中，採用一彎曲探針接腳，經由測試接腳之彎曲部而施加之力不是直接作用在測試部位上並產生一小彎矩。此亦可導致測試接腳與加熱塊中之孔之間之摩擦力增大，其會負面影響力量測。藉由施加與探針之縱向軸成一線之力而消除彎矩並減少摩擦問題。
此外，在先前技術系統中，由接合測試接腳之拉鉤施加之最大力係受限於測試接腳之彎曲部之強度。當超過此最大力時，接腳變直。藉由施加與探針之縱向軸成一線之拉力(且非通過一彎曲部)而消除此問題。
較佳地，探針為藉由一探針保持機構而耦合至固持器之一筆直接腳。較佳地，探針係藉由一夾持機構而保持在固持器中。較佳地，夾持機構將一夾持力提供在探針之一縱向軸上。此類型之一夾具與一筆直探針接腳之一起使用允許在一測試完成時自裝置容易地移除探針。相比而言，在先前技術系統中，在測試已完成之後，測試接腳係因其一端部上具有焊料球及另一端部上具有彎曲部而機械地受困於加熱塊中。此意謂必須切割接腳或必須重新運行熱循環，且在被熔化時必須手動移除焊料球使得探針可被移除。此對操作速度及成本均有極大影響。測試接腳係經精確成形且對於一消耗品而言較為昂貴，因此期望能夠將其等清洗並重新使用。
再者，就一筆直夾持接腳之使用而言，操作者無需在探針之負載期間接觸固持器之熱端部，因為固持器可僅被向下驅動至垂直固持在一負載托盤中之一接腳上，且接著被夾持。亦可提供包圍加熱器之一熱遮罩，以降低燒傷風險並減少操作之加熱階段期間之來自探針之非所欲熱損耗。相比而言，若使用先前技術系統，則必須手動負載探針，此既耗時又耗力。操作者在接觸固持器時亦因固持器之部分可能是熱的而暴露於一燒傷風險，若焊料球在一測試後已被再熔化，則情況尤其如此。
可在剛性夾持探針之後執行一「推擠」及「拉伸」測試。亦能夠進行一「疲勞」測試，其中於一抗壓測試與一抗拉測試之間循環負載直至達到預定力或一固定週期數。若使用先前技術系統，則無法將推力施加至接腳。因此，先前技術系統無法進行推擠測試及疲勞測試。
較佳地，以氣動方式操作夾持機構。然而，可使用任何適合操作機構，諸如(例如)電性或磁性機構。夾持機構可包括：一筒夾，其包圍探針，該筒夾具有一錐形外表面；及一活塞，其中在使用時，該活塞之致動導致該活塞沿該錐形表面移動或導致該錐形表面相對於該另一表面而驅動以將該筒夾夾持在探針周圍。亦可提供一額外或替代之可手動操作夾持機構。較佳地，該筒夾係偏壓至一鬆開位置中。
較佳地，加熱器包括：一導熱管，其包圍該探針之至少一部分；及一加熱元件，其包圍該管之至少一部分。以此方式，熱源比先前技術中的靠近測試接腳，從而減少執行測試所需之能量以及執行整個循環之時間。本發明亦已大幅減小需加熱及冷卻之熱質量。
較佳地，加熱線係連接至用來給加熱線加熱之一電源。較佳地，導熱管具電絕緣性。較佳地，導熱管係由一陶瓷材料形成。一適合陶瓷材料之一實例為購自英國CW1 6UA,Crewe,Weston路，Crewe Hall之Dynamic Ceramic有限公司的一氮化鋁/氮化硼陶瓷複合物。
較佳地，裝置進一步包含位於探針鄰近處之一熱耦器。在使用時，該熱耦器較佳係位於導熱管上且更佳係位於最靠近受測試接點之導熱管之端部處。一電絕緣管允許將該熱耦器直接安置在該管上。該熱耦器可用以測定探針在接點測試之一加熱階段期間及在一冷卻階段期間之溫度。可記錄及控制探針在整個接點測試期間之溫度。控制受測試接點之熔化及冷卻以儘可能近似地模擬製造期間所實施之程序是有利的。此確保受測試接點之外形及其材料性質匹配所製造接點之外形及材料性質。
較佳地，裝置包含用於冷卻探針之一冷卻系統。較佳地，該冷卻系統包括：一壓縮空氣源；一噴嘴或出口，其連接至該壓縮空氣源，該噴嘴或出口經配置以在探針附近提供一壓縮空氣流；及一閥，其經組態以控制自該源至該噴嘴或出口之壓縮空氣供應。
較佳地，裝置進一步包含其上安裝待測試之一半導體樣品的一可移動平台。較佳地，一陣列之探針亦係安裝在該可移動平台上。一自動測試常式係因具有一陣列之探針而可行，較佳地，該探針陣列被預負載至一載體托盤中並具有用於測試部位之若干教示位置。電動控制件可用以使固持器與平台相對於彼此而移動以自動化探針之拾起，從而執行一測試且接著使用過之探針下落至一收集容器中。
在另一態樣中，本發明包括一種用於將一拉伸測試施加至一半導體總成之一接點的裝置，該接點包括一焊料球或一焊料凸塊，該裝置包括：一探針；一加熱器，其用於將該探針之一尖端加熱至處於或高於使該接點熔化之一溫度的一溫度；一固持器，其用於支撐該探針；一致動器件，其用於上下移動該固持器及該固持器中所支撐之該探針；一構件，其用於將一拉力施加在該固持器上，該固持器接著將一拉力施加至該探針；及一力量測系統，其用於量測該拉伸測試期間施加至該探針之一力，其中在該探針尖端已被加熱至處於或高於使該接點熔化之一溫度的一溫度後，該探針尖端係與該接點接觸，該接點係因該探針之加熱而熔化且該接點係經冷卻及凝固以將該探針尖端固定在該接點中，接著由該拉力施加構件拉回該探針以將一拉力施加至該接點，該拉力係由該力量測系統量測，且其中該加熱器包括包圍該探針之至少一部分的一導熱管及包圍該管之至少一部分的一加熱元件。
就此加熱器配置而言，熱源比先前技術中的靠近測試接腳，從而減少執行測試所需之能量以及執行整個循環之時間。亦大幅減小需加熱及冷卻之熱質量。此加快測試程序。
較佳地，加熱線係連接至用來給加熱線加熱之一電源。較佳地，導熱管不導電。較佳地，導熱管係由一陶瓷材料形成。
較佳地，裝置進一步包含位於探針鄰近處之一熱耦器。在使用時，該熱耦器較佳係位於導熱管上且更佳係位於最靠近於受測試接點之導熱管之端部處。該熱耦器可用以測定在接點測試之一加熱階段期間及在冷卻階段期間之探針之溫度。可記錄及控制整個接點測試期間之探針之溫度。控制受測試接點之熔化及冷卻以儘可能近似地模擬製造期間所實施之程序是有利的。此確保受測試接點之外形及其材料性質匹配所製造接點之外形及材料性質。
較佳地，裝置進一步包含包圍加熱器之一熱遮罩以降低燒傷風險並減少操作之加熱階段期間之來自探針之非所欲熱損耗。
較佳地，裝置包含用於冷卻探針之一冷卻系統。較佳地，該冷卻系統包括：一壓縮空氣源；一噴嘴或出口，其連接至該壓縮空氣源，該噴嘴或出口經配置以將一壓縮空氣噴射流導引向探針；及一閥，其經組態以控制自該源至該噴嘴或出口之壓縮空氣供應。
較佳地，探針具有一縱向軸且該固持器沿探針之該縱向軸而將一拉力施加至該探針。
較佳地，探針為藉由一探針保持機構而耦合至固持器之一筆直接腳。較佳地，探針係藉由一夾持機構而保持在固持器中。較佳地，該夾持機構將一夾持力提供在探針之一縱向軸上並對稱地佈置在該軸周圍。
較佳地，以氣動方式操作夾持機構。然而，可使用可(例如)電性或磁性操作之任何適合夾持機構。夾持機構可包括：一筒夾，其包圍探針，該筒夾具有一錐形外表面；及一活塞，其中在使用時，該活塞之致動導致該活塞沿該錐形表面移動或導致該錐形表面相對於另一表面而驅動以將該筒夾夾持在探針周圍。亦可提供一額外或替代之可手動操作夾持機構。較佳地，該筒夾係偏壓至一鬆開位置中。
較佳地，裝置進一步包含其上安裝待測試之一半導體樣品的一可移動平台。較佳地，一陣列之探針亦係安裝在該可移動平台上。一自動測試常式係因具有一陣列之探針而可行，較佳地，該探針陣列被預負載至一載體托盤中並具有用於測試部位之若干教示位置。電動控制件可用以使固持器與平台相對於彼此而移動以自動化探針之拾起，從而執行一測試且接著使用過之探針下落至一收集容器中。
在另一態樣中，本發明包括一種測試一半導體總成上之一接點的方法，該接點包括一焊料球或一焊料凸塊，該方法包括以下步驟：將一導熱探針之一尖端施加至該接點；將該探針之該尖端加熱至處於或高於使該接點熔化之一溫度的一溫度；將該探針之該尖端冷卻至使該接點凝固之一溫度，或允許該探針之該尖端冷卻至使該接點凝固之一溫度，其中該探針之該尖端係嵌入該接點中；將一拉力施加在該探針上，且記錄施加一拉力之步驟期間施加至該探針之該力，其中該探針具有一縱向軸且施加一拉力之步驟包括沿該探針之該縱向軸而將一拉力施加在該探針上。
較佳地，方法包含在加熱之步驟期間將一力施加在探針上之步驟，以在接點熔化時將探針推至接點中。替代地，方法包含在加熱之步驟期間使探針落在接點上之步驟，以在接點熔化時允許探針在其自身重量之作用下陷入至接點中。
在又一態樣中，本發明包括一種測試一半導體總成上之一接點的方法，該接點包括一焊料球或一焊料凸塊，該方法包括以下步驟：將一導熱探針之一尖端施加至該接點；將該探針之該尖端加熱至處於或高於使該接點熔化之一溫度的一溫度；將該探針之該尖端冷卻至使該接點凝固之一溫度，或允許該探針之該尖端冷卻至使該接點凝固之一溫度，其中該探針之該尖端係嵌入該接點中；將一拉力施加在該探針上以自該半導體總成移除該接點，且記錄施加一拉力之步驟期間施加至該探針之該力，其中加熱之步驟包括：提供包圍該探針之至少一部分的一導熱管及包圍該管之至少一部分的一加熱元件；及使一電流通過該加熱元件以加熱該探針。
在另一態樣中，本發明包括一種測試一半導體總成上之一接點的方法，該接點包括一焊料球或一焊料凸塊，該方法包括以下步驟：將一導熱探針夾持至一探針固持器中，其中該探針包括一筆直接腳，且夾持該探針之步驟包括：使該探針固持器與該探針相對於彼此而移動使得該探針係定位在該固持器內；及夾持該探針之一縱向軸；將該探針之一尖端施加至該接點；將該探針之該尖端加熱至處於或高於使該接點熔化之一溫度的一溫度；將該探針之該尖端冷卻至使該接點凝固之一溫度，或允許該探針之該尖端冷卻至使該接點凝固之一溫度，其中該探針之該尖端係嵌入該接點中；通過該探針固持器而將一拉力施加在該探針上，且記錄施加一拉力之步驟期間施加至該探針之該力；及自該探針固持器釋放該探針。
較佳地，在自動化控制下執行步驟：使探針固持器與探針相對於彼此而移動使得探針係定位在固持器內。
較佳地，使探針固持器與探針相對於彼此而移動使得探針係定位在固持器內之步驟包括：橫向移動探針使得其係與探針固持器對準；及隨後通過探針而垂直移動探針固持器。
較佳地，方法進一步包含在施加拉力之步驟之後將一容器移動至探針固持器下方之一位置的步驟，且自探針固持器釋放探針之步驟包括將探針釋放至容器中。
較佳地，夾持之步驟包括在自動化控制下將一筒夾夾持在探針之一縱向軸周圍。
在又一態樣中，本發明包括一種用於將一拉伸測試施加至一半導體總成之一接點的裝置，該接點包括一焊料球或一焊料凸塊，該裝置包括：一探針，該探針包括一筆直導熱接腳；一加熱器，其用於將該探針之一尖端加熱至處於或高於使該接點熔化之一溫度的一溫度；一固持器，其用於支撐該探針，該固持器包括經組態以將一夾持力提供在該探針上之一夾持機構；一致動器件，其用於上下移動該固持器及該固持器中所支撐之該探針；一構件，其用於將一拉力施加在該固持器上，該固持器接著將一拉力施加至該探針；及一力量測系統，其用於量測該拉伸測試期間施加至該探針之一力，其中在該探針尖端已被加熱至處於或高於使該接點熔化之一溫度的一溫度後，該探針尖端係與該接點接觸，該接點係因該探針之加熱而熔化且該接點係經冷卻及凝固以將該探針尖端固定在該接點中，接著由該拉力施加構件拉回該探針以將一拉力施加至該接點，該拉力係由該力量測系統量測。
筆直探針之使用允許簡化及甚至自動化探針至固持器中之負載。僅需將固持器向下驅動至一對準探針接腳上且接著將其夾持在該探針接腳之軸周圍。相比而言，在使用與一掛鈎接合之一彎曲探針接腳的先前技術系統中，探針接腳之負載必須手動完成且需要相當熟練。
較佳地，裝置進一步包括：複數個探針，其等配置在若干預定位置中；及一自動探針負載機構，其經組態以移動固持器或該等探針之至少一者以使一探針與固持器對準。較佳地，裝置進一步包含一收集容器，其可定位在探針固持器下方以在一測試後接收用過之探針。
較佳地，裝置進一步包含其上安裝待測試之一半導體樣品的一可移動平台。較佳地，一陣列之探針亦係安裝在該可移動平台上。一自動測試常式係因具有一陣列之探針而可行，較佳地，該探針陣列被預負載至一載體托盤中並具有用於測試部位之若干教示位置。一自動探針負載機構可用以使固持器與平台相對於彼此而移動以自動化探針之拾起。接著，可執行測試並使用過之探針下落至一收集容器中。
在又一態樣中，本發明包括一種用於將一拉伸測試施加至一半導體總成之一接點的裝置，該接點包括一焊料球或一焊料凸塊，該裝置包括：複數個導熱探針，其等定位在若干預定位置中；一固持器，其用於支撐一探針，該固持器包括經組態以將一夾持力提供在一探針上之一夾持機構；一自動探針負載機構，其經組態以移動該固持器或該等探針之至少一者以使一探針與該固持器對準；一致動器件，其用於使該固持器及該固持器中所支撐之該探針朝向及遠離該接點而移動；一加熱器，其用於將該探針之一尖端加熱至處於或高於使該接點熔化之一溫度的一溫度；一構件，其用於將一拉力施加在該固持器上，該固持器接著將一拉力施加至該探針；及一力量測系統，其用於量測該拉伸測試期間施加至該探針之一力，其中在該探針尖端已被加熱至處於或高於使該接點熔化之一溫度的一溫度後，該探針尖端係與該接點接觸，該接點係因該探針之加熱而熔化且該接點係經冷卻及凝固以將該探針尖端固定在該接點中，接著由該拉力施加構件拉回該探針以將一拉力施加至該接點，該拉力係由該力量測系統量測。
較佳地，自動探針負載機構包括一電子控制器及其中儲存複數個探針之各者之位置的一記憶體。
較佳地，裝置進一步包含一收集容器，其可定位在探針固持器下方以在一測試後接收用過之探針。較佳地，自動探針負載機構係經組態以控制該收集容器相對於探針固持器之位置。
較佳地，裝置進一步包含其上安裝待測試之一半導體樣品的一可移動平台。較佳地，一陣列之探針亦係安裝在該可移動平台上。一自動測試常式係因具有一陣列之探針而可行，較佳地，該探針陣列被預負載至一載體托盤中並具有用於測試部位之若干教示位置。一自動探針負載機構可用以使固持器與平台相對於彼此而移動以自動化探針之拾起。接著，可執行測試並使用過之探針下落至一收集容器中。
較佳地，複數個探針之各者包括一筆直導熱接腳。各探針可經配置以為直立的，使得在使用時，可通過各探針而降低固持器且接著在執行一測試之前夾持探針。在一測試後，用過之探針可被鬆開並可自固持器滑出，或可僅在其自身重量之作用下自固持器掉出。
在另一態樣中，本發明包括一種測試一半導體總成上之一接點的方法，該接點包括一焊料球或一焊料凸塊，該方法包括步驟：於若干預定位置處提供複數個導熱探針；在自動控制下移動該等探針之至少一者或一探針固持器以使一探針與該探針固持器對準；將該探針夾持至該探針固持器；使該探針與該固持器相對於彼此而移動以將該探針之一尖端施加至該接點；將該探針之該接點加熱至處於或高於使該接點熔化之一溫度的一溫度；將該探針之該尖端冷卻至使該接點凝固之一溫度，或允許該探針之該尖端冷卻至使該接點凝固之一溫度，其中該探針之該尖端係嵌入該接點中；通過該探針固持器而將一拉力施加在該探針上，且記錄施加一拉力之步驟期間施加至該探針之該力；相對於該探針固持器而移動一容器；及將該探針自該探針固持器釋放至該容器中。
較佳地，在自動控制下移動探針之至少一者或一探針固持器以使一探針與該探針固持器對準之步驟包括將探針之該至少一者橫向移動至該探針固持器下方之一位置。
較佳地，於若干預定位置處提供複數個導熱探針之步驟包括將固持探針之一載體托盤安裝至一可移動平台。
較佳地，複數個探針之各者包括一筆直導熱接腳。
在又一態樣中，本發明提供一種用於將一拉伸測試施加至一半導體總成之一接點的裝置，該接點包括一焊料球或一焊料凸塊，該裝置包括：一探針；一加熱器，其用於將該探針之一尖端加熱至處於或高於使該接點熔化之一溫度的一溫度；一固持器，其用於支撐該探針，其中該固持器包括：一夾具，其用於保持該探針；一驅動機構，其耦合至該夾具並具有一主動位置及一靜止位置，其中該驅動機構自該靜止位置至該主動位置之移動導致該夾具緊夾在該探針周圍；及一手動調整機構，其耦合至該驅動機構並經組態以調整該驅動機構之該靜止位置；一致動器件，其用於在使用時使該固持器及該固持器中所支撐之該探針朝向及遠離該接點而移動；一構件，其用於將一拉力施加在該探針上；及一力量測系統，其用於量測該拉伸測試期間施加至該探針之一力，其中在該探針尖端已被加熱至處於或高於使該接點熔化之一溫度的一溫度後，該探針尖端係與該接點接觸，該接點係因該探針之加熱而熔化且該接點係經冷卻及凝固以將該探針尖端固定在該接點中，由該拉力施加構件拉回該探針以將一拉力施加至該接點，該拉力係由該力量測系統量測。
較佳地，夾具係一筒夾。較佳地，驅動機構為耦合至一氣動或液壓控制系統之一活塞及氣缸。較佳地，該活塞鄰接筒夾且手動調整機構係經組態以調整該活塞之一靜止位置。
較佳地，手動調整機構允許在一拉伸測試之前通過一摩擦配合而將一探針固持在夾具中且無需啟動自動化夾持機構。隨後，可藉由啟動自動化夾持機構而在該拉伸測試期間施加一更大夾持力。
較佳地，手動調整機構可替代地用以取代自動夾持機構以導致夾具充分緊夾在探針周圍以將拉伸測試施加至接點。
參考附圖而詳細描述本發明之一實例。
圖1係根據本發明之一接點測試機器之一正視圖。圖2係該機器沿線X-X之一側向橫截面。該機器包括一分級操作台1，具有待測試之一接點或若干接點之一半導體總成2係安裝在該分級操作台上。
圖1及圖2中所示之機器係經組態以對若干接點且尤其是焊料接點執行拉伸測試及推擠測試。一探針3係固持在一可垂直移動之匣筒總成4中。該探針係用以接觸一接點、熔化該接點、陷入該熔化接點中、冷卻該接點以將其重新凝固及接著將一拉力施加在該接點上以測試其強度。
圖1及圖2中所示之機器包括附接至機器之移動零件的一固定機殼5。機殼5係經設計以位於一工作台或操作台上。可移動分級操作台1係附接至機殼5，受測試樣品2係安裝在該可移動分級操作台上。分級操作台1可相對於機殼5而沿水平面(本文中稱為X-Y面)移動。使用步進或伺服馬達(圖中未顯示)來實現及控制分級操作台1之此移動。使用一螺栓及螺母總成來將一樣品固持器6固定至分級操作台1，但可使用任何適合固定構件。該樣品固持器包括其中可固持不同尺寸之半導體樣品的一夾具。使用手柄7來調整該夾具。此類型之分級操作台及樣品固持器配置已為吾人所熟知，且可發現於購自英國，Buckinghamshire,Aylesbury,Rabans Lane工業區，Faraday路25號之Dage控股有限公司之Dage 4000多用途接點測試器中。然而，可藉由若干不同構件而將受測試總成牢固在操作台上之適當位置。一真空夾盤可用以將更大基板或器件牢固至操作台。圖1中亦顯示位於分級操作台上之一探針托盤80。
機器亦包括耦合至探針3之匣筒總成4。匣筒4及探針3可相對於機殼5及分級操作台1而沿垂直於半導體總成之表面的一垂直方向(本文中稱為Z方向)移動。再次使用一步進或伺服馬達(圖中未顯示)來實現匣筒4及探針3相對於機殼5之移動以驅動安裝至機殼5之一導螺桿或滾珠螺桿8。匣筒4係安裝在該滾珠螺桿之一螺母上，且因此在該螺桿被旋轉時上移或下移，但如此項技術中所熟知，可使用其他適合驅動機構，諸如一螺線管。圖1及圖2中所繪示之垂直驅動配置可發現於以上所引用之Dage 4000多用途接點測試器中。
機器通常係由一個人電腦(PC)(包含若干適合使用者界面器件，諸如一鍵盤及螢幕)及一或多個操縱桿(圖中未顯示)控制。機器亦包含導引向受測試樣品以有助於精確定位探針之一顯微鏡9。此等使用者控制特徵亦可發現於以上所引用之Dage 4000多用途接點測試器中。
圖3更詳細地顯示圖2之探針及將探針安裝至匣筒之一拉桿10的方式。探針3包括使用筒夾12而固持在一夾具中之一導熱接腳，該筒夾係耦合至一探針外殼11內之拉桿10。
探針桿之尖端係經塗覆或係陷入焊料中以在與受測試接點接觸時確保一良好濕潤作用。
以氣動方式驅動用以將探針夾持至拉桿之夾持機構。然而，可同樣使用基於電性或磁性致動器之其他機構。夾持機構包括包圍探針3之桿之一部分的一鋼筒夾12。藉由一活塞13在收容筒夾之一氣缸14內的移動作用而將筒夾12緊緊夾在探針之桿周圍。由螺合至氣缸14之底部上之一氣缸端帽14a封閉氣缸14。活塞13鄰接筒夾12並將筒夾12之一錐形外表面驅動至氣缸端帽14a之一對應錐形部分中，藉此將筒夾12夾持在探針3之上端部周圍。使用供應至設置於活塞13與氣缸14之間之活塞腔室13a的壓縮空氣來氣動驅動活塞。O形環15、16係用以提供活塞與氣缸及活塞與拉桿之間之一密封。一探針止擋17係設置在拉桿10上以限制探針3在固持器內之移動。在所示實施例中，活塞、氣缸及拉桿均係由鋼形成。一彈簧18係設置於活塞13與氣缸端帽14a之間以在活塞13上不存在一氣動力時使活塞13偏離筒夾12。圖4中亦示意性繪示夾持機構。圖4顯示與一壓縮空氣源40連接之活塞腔室13a，該壓縮空氣源可安裝至機殼。由被電子控制之供給閥41調節壓縮空氣40之供應以驅動活塞13，如下文所述。由亦被電子控制之排氣閥42控制壓縮空氣自活塞腔室13a之排放以釋放夾具。
可為其他夾持配置。例如，一活塞可用以沿一筒夾之一錐形表面移動以藉此將其壓擠在探針周圍。替代地，可採用鄰接探針桿之直接致動夾具部件以取代一筒夾。結合一筆直探針接腳之使用，全部此等夾持配置之一優點在於可自固持器容易地負載及卸載探針且可使其成為一完全自動化程序。
亦提供可用以取代上述氣動夾持機構之一手動夾具調整機構19、20，或亦提供除上述氣動夾持機構以外之一手動夾具調整機構19、20。當與氣動夾持機構一起使用時，該手動夾具調整機構係用以設定活塞之靜止位置，且因此打開或關閉筒夾12之內表面。該手動夾具調整機構包括一環形板19，其係裝配在氣缸14背部之一螺釘上。板19鄰接三個向下延伸定位銷20之一端部，該等定位銷之另一端亦鄰接活塞13之背面。可藉由旋轉板19而沿螺釘下移或上移板。當板19被下移時，其關閉筒夾12。當板被上移時，其打開筒夾12。可藉由僅旋轉環形板直至其足夠下移以牢固夾持探針3而在無需氣動夾持機構之情況下單獨使用該手動夾具調整機構。
一加熱器係設置在探針3之一下部分周圍以加熱探針3(且尤其是與受測試接點接觸之探針之部分)使得接點熔化。該加熱器包括：一陶瓷管21，其緊密配合在探針3周圍；及一加熱線22，其係纏繞管21之外表面或位於管21之外表面上。管21係由壁厚為0.95毫米之導熱但電絕緣之陶瓷形成。陶瓷管之材料係一氮化鋁/氮化硼陶瓷複合物。加熱線22藉由電阻加熱而提供熱。線22係連接至一電源(圖3中不可見)。一電流係通過線以加熱陶瓷管21及探針3。線係由鎳鉻合金(Nichrome)形成。陶瓷管21可經形成以在其外表面上具有接收加熱線22並確保良好熱接觸之若干凹槽。作為電阻加熱之一替代方案或除電阻加熱以外，可使用其他形式之加熱，諸如(例如)感應加熱或使用一或若干熱氣噴射流。一絕緣障壁23係設置於加熱器與夾具總成之間。一熱遮罩24係設置在加熱器總成周圍。
一熱耦器30係定位在陶瓷管21之底端部上。熱耦器30提供探針之一溫度指示，且因此提供受測試接點31之一溫度指示。熱耦器係一K型熱耦器。此類型之一適合熱耦器係購自英國M44 5BD,Manchester之Omega Engineering有限公司。此係詳細顯示在圖5中。熱耦器30係用以測定執行拉伸測試之各種階段的時間及用以允許控制熔化及凝固階段之溫度分佈以近似模擬半導體總成之製程中之情況。加熱及冷卻之速率可影響接點之材料性質。
亦提供圖6中示意性所繪示之一冷卻總成以在受測試接點31已熔化後快速冷卻探針3。該冷卻總成藉由在探針附近提供一壓縮空氣噴射流而操作。在加熱器遮罩24內，一壓縮空氣源60係連接至靠近探針3之一噴嘴25(圖3中所示)。一電子可控閥61係設置於壓縮空氣源60(其可相同或不同於用於夾具機構之壓縮空氣源40)與噴嘴25之間。可藉由適合之撓性或剛性軟管而建立空氣源60、閥61及噴嘴25之間之連接。空氣源可為可安裝至機殼之一壓縮空氣氣缸。圖6中亦顯示用以控制閥61之控制電子器件62。作為一替代方案，可提供其他形式之冷卻。例如，可使用一風扇以在探針及接點上方產生一非壓縮空氣流，或替代地，可僅允許探針及接點在未受助之情況下冷卻至周圍溫度。
相較於先前技術之加熱塊，陶瓷管21及探針3具有較低熱質量，且因此加快加熱及冷卻循環。
圖7繪示匣筒總成4及偵測探針3上之力的方式。匣筒包括一剛性背面板70，其係剛性地連接至導螺桿8上之螺母(參閱圖2)。一對鋁懸臂71a及71b之一端部係使用螺栓75而固定至背面板70，且該對懸臂之相對端部係沿Z方向自由撓曲。此類型之懸臂71a及71b已為吾人所熟知且發現於以上所引用之Dage 4000多用途接點測試器中。拉桿10穿過設置在懸臂71a及71b之自由端部中之孔隙，且係使用裝配至拉桿10之一螺紋部分的一螺母72而剛性地固定至懸臂71a及71b。明顯地，可為將拉桿附接至懸臂之其他構件。
沿Z方向施加在拉桿10上之任何力將導致懸臂71a及71b撓曲。為量測施加在拉桿10上之力，應變計73a、73b係位於懸臂之一者71a之頂面上且應變計74a、74b(圖中不可見)係位於該懸臂71a之相對面上。臂71a之撓曲使應變計扭曲並允許記錄拉桿上之力之一量測值。例如，自US 6301971及以上所引用之Dage 4000多用途接點測試器獲知此類型之力量測系統。
一溫度補償元件76裝有懸臂71a及71b。圖8繪示使用四個應變計及溫度補償元件76之一電路配置。該電路使用該等應變計之一惠斯登電橋組態，使用一激勵電壓Vexcite來激勵該組態。輸出電壓Vout係拉桿10上之力之一指示。
應變計不僅用以偵測拉伸或推擠測試期間之拉桿上之力，且用以測定開始測試前探針在探針之初始定位期間接觸受測試接點之時間。偵測到懸臂在探針接觸半導體總成時之小偏轉，且接著停止Z方向驅動裝置以防止損傷接點或基板。
圖9係裝置之不同零件之控制之一示意說明圖。裝置係由在一個人電腦(PC)90上運行之應用軟體91控制。專用電
子器件係提供給由應用程式控制的裝置之各種零件。運動控制電子器件92係提供給匣筒總成4之Z方向驅動裝置93及分級操作台1之X-Y面驅動裝置94。亦提供夾具電子器件95以控制夾具之致動，及具體而言，亦提供夾具電子器件95以控制閥41及42。
提供溫度感測及控制電子器件96以控制加熱器230及冷卻系統240。溫度控制電子器件96使用來自熱耦器30之信號以開始及完成加熱及冷卻循環。
提供力量測及觸地感測電子器件99以操作應變計73、74並自該等應變計之輸出測定拉桿上之力之一量測值。如上所提及，來自應變計73a及73b、74a及74b之信號係用作為一觸地感測器以在首次定位探針時停止Z方向驅動裝置。
圖10係繪示根據本發明之在一接點測試中所執行之若干步驟的流程圖。
程序之第一步驟為將一探針3負載至拉桿上。此係顯示為步驟100。此可藉由將一探針接腳手動負載至固持器中且接著將其手動或自動夾持在適當位置而實現。替代地，程序可完全自動化。分級操作台1可經移動使得探針托盤80中之一探針係直接位於拉桿10下方。可藉由記錄托盤中之探針在分級操作台上之位置而控制分級操作台以將下一探針自動移動至適當位置。接著，使用z方向導螺桿驅動裝置來降低匣筒總成，直至探針係處於適當位置。
接著，在步驟105中，藉由致動活塞13而夾持探針，或可在無需致動活塞之情況下充分緊夾筒夾以使探針抵抗其重量而支撐在適當位置使得此階段無需夾持。接著，在分級操作台1上，使探針及匣筒總成縮回一預定距離。
接著，在步驟110中，分級操作台係經移動使得待測試接點31係直接在探針下方。此可手動完成，且借助顯微鏡及操縱桿控制件。替代地，若接點在分級操作台上之位置係已知且被電子記錄，則其可自動完成。
接著，在步驟115中，使用Z方向驅動裝置來將探針3向下移動向待測試接點31。在步驟120中，使用來自應變計73、74之輸出來偵測與接點31之接觸，且接著在步驟125中停止z方向驅動裝置。
在步驟130中，探針係經鬆開或夾具係經鬆弛使得探針3落在接點31之頂上。接著，在步驟135中，啟動加熱器以加熱探針且因此加熱接點。當熱耦器偵測到探針已達到處於或高於接點之熔化溫度的一預定溫度時，停止加熱器。探針在其自身重量之作用下陷入至熔化接點中。替代地，探針可在加熱步驟期間保持被夾持，但固持在一位置中使得固體接點將一向上力施加在探針上，從而導致懸臂撓曲。當接點熔化時，接著在懸臂之作用下迫使探針向下進入至熔化焊料中。
在步驟140中，冷卻循環開始。打開閥61，且將一壓縮空氣噴射流導引至探針(以快速將其冷卻)及接點上。當熱耦器偵測到已達到使接點固化之一期望溫度時，關閉閥且停止冷卻。此時，接點已凝固在探針之尖端周圍。
熱耦器可用以提供探針在加熱及冷卻循環期間之一溫度分佈記錄。此可用以控制加熱及冷卻之速率，且因此確保經重新凝固之接點在製造後具有與原接點近似相同之材料性質。此藉由儘可能近似地模擬用在典型製程中之溫度分佈而實現。
在冷卻完成之後，若探針係鬆開的，則在步驟145中，使用氣動夾持機構來緊緊夾持探針3。替代地，可在冷卻步驟140之前實施夾持探針之步驟145。替代地，可在整個程序期間使探針保持被夾持。
在步驟150中，執行拉伸測試且使用來自應變計73a及73b、74a及74b之輸出來記錄整個測試期間之拉桿上之力。藉由使用Z軸驅動裝置來沿z方向驅動拉桿遠離分級操作台1而執行拉伸測試。當在拉伸測試期間自半導體基板移除接點31時，施加在拉桿10上之力會突然減小。記錄所實現之最大力。
自圖2、圖3及圖7可明白，在所繪示實施例中，探針3之縱向軸係與拉桿10之縱向軸對準，且在一拉伸測試期間，由拉桿10施加在探針3上之拉力係與探針3之縱向軸直接成一線。此確保探針上不存在可導致不精確及不可接受測試結果之彎矩。其亦增大可施加之最大拉力並大幅降低探針在一拉伸或推擠測試期間之受損可能性，且因此增加探針之有效使用期限。
除適用於執行拉伸測試以外，本發明之裝置亦適用於藉由沿z方向將探針驅動至接點中(無需熔化)並記錄移動一預定直線距離之拉桿上之力而對接點執行推擠測試。亦可執行達到一預定循環數或一預定力之由一系列交替拉伸及推擠測試組成之一疲勞測試。
在拉伸測試(或推擠或疲勞測試)完成之後，在步驟155中，藉由移動分級操作台而使半導體總成遠離探針。為便於探針3之清洗，可再熔化附接至探針3之任何接點材料，同時該接點材料仍附接至夾具並被收容在陶瓷加熱管內。可根據需要而將一新半導體總成2安裝在分級操作台1上。
在步驟160中，自固持器卸載探針3。此可藉由旋轉板19以將其向上移動以打開筒夾12而手動完成，或可藉由釋放氣動夾持力而自動完成。在此階段中，用於接收用過之探針的一容器可固定至分級操作台並在拉桿下方移動。接著，探針可在被鬆開後落入該容器中且可隨後被清洗及重新使用。
接著，程序完成且可測試一新接點。為再次開始程序，在步驟165中將分級操作台移動至一位置以接收一新探針，且程序再次開始於步驟100。
1．．．分級操作台
2．．．半導體總成
3．．．探針
4．．．匣筒總成
5．．．機殼
6．．．樣品固持器
7．．．手柄
8．．．導螺桿/滾珠螺桿
9．．．顯微鏡
10．．．拉桿
11．．．探針外殼
12．．．筒夾
13．．．活塞
13a．．．活塞腔室
14．．．氣缸
14a．．．氣缸端帽
15．．．O形環
16．．．O形環
17．．．探針止擋
18．．．彈簧
19．．．手動夾具調整機構/環形板
20．．．手動夾具調整機構/定位銷
21．．．陶瓷管
22．．．加熱線
23．．．絕緣障壁
24．．．熱遮罩
25．．．噴嘴
30．．．熱耦器
31．．．受測試接點
40．．．壓縮空氣源
41．．．供給閥
42．．．排氣閥
60．．．壓縮空氣源
61．．．電子可控閥
62．．．控制電子器件
70．．．剛性背面板
71a．．．懸臂
71b．．．懸臂
72．．．螺母
73a．．．應變計
73b．．．應變計
74a‧‧‧應變計
74b‧‧‧應變計
75‧‧‧螺栓
76‧‧‧溫度補償元件
80‧‧‧探針托盤
90‧‧‧熱耦器
91‧‧‧應用軟體
92‧‧‧運動控制電子器件
93‧‧‧Z方向驅動裝置
94‧‧‧XY面驅動裝置
95‧‧‧夾具電子器件
96‧‧‧溫度感測及控制電子器件
99‧‧‧力量測及觸地感測電子器件
230‧‧‧加熱器
240‧‧‧冷卻系統
圖1係根據本發明之一接點測試裝置之一正視圖；
圖2係圖1之裝置之一橫截面；
圖3係圖2之部分A之一詳解圖；
圖4係圖3之探針夾持系統之一示意說明圖；
圖5係圖3之部分B之一詳解圖；
圖6係圖5中部分所示之冷卻系統之一示意說明圖；
圖7係蓋子已被移除之圖1及圖2中所示之匣筒總成之一詳解圖；
圖8係繪示圖7中之應變計係如何用以提供一力量測值的一電路圖；
圖9係顯示根據本發明之一裝置之控制架構的一示意圖；及
圖10係根據本發明之接點測試之一方法之一流程圖。
1．．．分級操作台
3．．．探針
5．．．機殼
6．．．樣品固持器
9．．．顯微鏡
80．．．探針托盤
Claims (14)
- 一種用於將一拉伸測試施加至一半導體總成之一接點的裝置，該接點包括一焊料球或一焊料凸塊，該裝置包括：一探針，該探針包括一筆直導熱接腳；一加熱器，其用於將該探針之一尖端加熱至處於或高於使該接點熔化之一溫度的一溫度，其中該加熱器包括：一導熱管，其包圍該探針之至少一部分；及一加熱元件，其包圍該導熱管之至少一部分；一固持器，其用於支撐該探針，該固持器包括經組態以將一夾持力提供在該探針上之一夾持機構；一致動器件，其用於上下移動該固持器及該固持器中所支撐之該探針；一構件，其用於將一拉力施加在該固持器上，該固持器接著將一拉力施加至該探針；及一力量測系統，其用於量測該拉伸測試期間施加至該探針之一力，其中在該探針尖端已被加熱至處於或高於使該接點熔化之一溫度的一溫度後，該探針尖端係與該接點接觸，該接點係因該探針之加熱而熔化且該接點係經冷卻及凝固以將該探針尖端固定在該接點中，接著由該拉力施加構件拉回該探針以將一拉力施加至該接點，該拉力係由該力量測系統量測。
- 如請求項1之裝置，其中該裝置進一步包括：複數個探針，其等配置在預定位置中；及一自動探針負載機構， 其經組態以移動該固持器或該等探針之至少一者以使一探針與該固持器對準。
- 如請求項1之裝置，其中該裝置進一步包括一收集容器，其可定位在該探針固持器下方以在一測試後接收用過之探針。
- 如請求項1之裝置，其進一步包括：一可移動平台，待測試之一半導體樣品係安裝在該可移動平台上；及一陣列之探針，其等安裝在該可移動平台上。
- 如請求項1之裝置，其中該夾持機構包括：一筒夾，其包圍該探針，該筒夾具有一錐形外表面，及一活塞，其中在使用時，該活塞之致動導致該活塞沿該錐形表面移動或導致該錐形表面相對於該固持器之一表面而驅動以將該筒夾夾持在該探針周圍。
- 如請求項1之裝置，其進一步包括位於該探針鄰近處之一熱耦器。
- 如請求項6之裝置，其中該熱耦器係位於該導熱管上。
- 如請求項1之裝置，其進一步包括包圍該加熱器之一熱遮罩。
- 如請求項1之裝置，其進一步包括用於冷卻該探針之一冷卻系統。
- 如請求項9之裝置，其中該冷卻系統包括：一壓縮空氣源；一噴嘴，其連接至該壓縮空氣源，該噴嘴經配置以在該探針附近提供一壓縮空氣噴射流；及一閥，其經組 態以控制自該源至該噴嘴之壓縮空氣供應。
- 一種測試一半導體總成上之一接點的方法，該接點包括一焊料球或一焊料凸塊，該方法包括以下步驟：於若干預定位置處提供複數個導熱探針；在自動控制下相對移動該等探針之至少一者或一探針固持器以使該探針與該探針固持器對準；將該探針夾持至該探針固持器；相對於該接點而移動該探針及該固持器以使該接點與該探針之一尖端接觸；以一加熱器將該探針之該尖端加熱至處於或高於使該接點熔化之一溫度的一溫度，其中該加熱器包括：一導熱管，其包圍該探針之至少一部分；及一加熱元件，其包圍該導熱管之至少一部分；將該探針之該尖端冷卻至使該接點凝固之一溫度，或允許該探針之該尖端冷卻至使該接點凝固之一溫度，其中該探針之該尖端係嵌入該接點中；通過該探針固持器而將一拉力施加在該探針上，且記錄施加一拉力之該步驟期間施加至該探針之該力；相對於該探針固持器而移動一容器；及將該探針自該探針固持器釋放至該容器中。
- 如請求項11之方法，其中在自動控制下移動該等探針之至少一者或一探針固持器之該步驟包括將該等探針之該至少一者橫向移動至該探針固持器下方之一位置。
- 如請求項11之方法，其中於若干預定位置處提供複數個 導熱探針之該步驟包括將固持該等探針之一載體托盤安裝至一可移動平台。
- 如請求項11之方法，其中該等探針之各者係一筆直接腳。
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